计算机体系结构——CH2 指令系统

CH2 指令系统

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CH2 指令系统

数据表示

定义

• 指计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型
• 确定哪些数据类型用哪些数据表示实现，是软硬件取舍问题的关键

目的

• 缩短程序运行的时间
• 减少CPU与主存间的通信量
• 数据表示的通用性和利用率

浮点数的表示方法

• 表示方式

  • 尾数
  • 阶码

• 表示范围

• 表示的国际标准

  • 32位

• 1位符号位
  
  - 8位阶码e
  
  - 23位尾数m

• 64位

  • 11位阶码

• 尾数和阶码的基值皆为2

• 误差

• 表数效率

  • 当尾数基值位2时，表数效率为50%
  • 尾数基值越高，表数效率越高

浮点数的格式设计

浮点数的舍入处理

• 恒舍法
• 恒置法
• 下舍上入法
• R*舍入法
• 查表法

警戒位

• 警戒位位数的设计

寻址技术

编址方式

• 主要是字长

  • 字编址

    • 常用

  • 字节编址

    • 常用

  • 位编址

  • 块编址

寻址方式

• 寻址方式的选择

  • 立即数寻址

    • 适用于数据比较短

  • 面向寄存器寻址

  • 面向主存储器寻址

    • 间接寻址

    • 变址寻址

      • 有地址偏移量
      • 常用

  • 面向堆栈寻址

定位方式

• 直接定位
• 静态定位
• 动态定位
• 用于定位程序运行所需的指令和数据的地址

指令系统设计

指令格式的优化

• 节省程序的存储空间
• 指令格式尽量规整，便于译码

指令的组成

• 操作码（OPC）

  • 三种编码方法

    • 固定长度

      • 许多RISC处理器采用定长操作码
      • 规整
      • 译码简单
      • 缺点：浪费信息量

    • Haffman编码

      • 利用haffman树进行操作码编码
      • 虽然节省，但很不规整
      • 与地址码组成定长指令较为困难

    • 扩展编码

  • 优化操作码的目的

    • 节省程序存储空间

• 地址码（A）

  • 零地址

  • 一地址

  • 普通二地址

  • 多存储器二地址

    • 对于一般商用计算机，多采用多寄存器结构二地址指令

  • 三地址

  • 用变址寻址方式缩短地址码长度

指令系统的功能设计

• 必要的5类基本指令

  • 数据传送类指令
  • 运算类指令
  • 程序控制指令
  • 输入输出指令
  • 处理机控制与调试指令

• 指令系统的性能

  • 完整性

    • 必备5类指令

  • 规整性

    • 对称性
    • 均匀性

  • 高效率

  • 兼容性

复杂指令系统

• CISC

  • 复杂指令系统

    • 用一条指令代替一连串指令
    • CISC中，20%的指令占据了80%的处理时间

• RISC

  • 精简指令系统

    • 符合硬件要求的规整性

    • 特征

      • 简单而统一格式的指令译码
      • 大部分指令可以单周期执行完成
      • 只有LOAD和STORE指令可以访问主存储器
      • 简单的寻址技术
      • 采用LOAD延迟技术

    • RISC思想的精华

      • 减少CPI

    • RISC的关键技术

      • 延时转移技术
      • 指令取消技术
      • 重叠寄存器窗口技术
      • 以硬件为主固件为辅

    • 特点

      • 优点

        • 指令系统比较简单，对称，均匀
        • 寻址方式简单易用
        • 指令周期调序很方便

      • 缺点

        • 软硬件设计要求高
        • 要设计复杂的子程序

• VLIW

  • 超长指令字系统

    • 特征

      • 一种显式指令级并行指令系统
      • 在一条超长指令中，可以有多条可以同时执行的指令
      • 并行度高

    • 指令极并行性

      • 超标量处理机
      • 超流水线处理机

    • 主要特点

      • 采用显式并行指令计算
      • 指令级并行度高
      • 硬件结构规整，简单
      • 编译器的实现难度大

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